機械之美,原來如此!通俗易懂解析機械錶的運作原理

嘀嗒嘀嗒嘀嗒。。。你是否曾痴迷於手錶指針走路的步奏和聲音?精準的機械錶(18000擺頻的)每秒嘀嗒5次,就像飛機引擎,汽車發動機,發電機或者人類心臟一樣。你的手錶也是一個動力源,必須在各種複雜的情況下運轉而不失效。不過與我們的心跳不同,這玩意可不能時快時慢;也不像巨大的發電機,這玩意沒有數以噸計的水泥和各種龐雜設施來避免震動對精度的影響。一塊手錶不可能有一堆維護人員,謹慎老練的駕駛員,繁雜的儀器或者控制器來維持其運轉及精度。那麼是什麼維持著手錶的滴答呢?

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手錶裡面是各種精緻的遊絲,齒輪以及軸承,其組成的整個裝置只佔用了非常狹小的空間,而它必須保證近乎完美地以恆定速率運轉分毫不差,為了瞭解機械錶裡發生的一切,我們先來了解一個簡單的計時裝置。

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試想一下家裡的水錶,我們打開水閘開關,樓頂水塔的水往下流動會驅動水錶裡面的水輪並帶動指針,那麼這個水塔就是我們的動力來源。這樣的話,水管引導水流流通,也就是我們的動力。水流經過水輪到達水龍頭,水龍頭控制著流量。通過調整水龍頭,我們可以只允許一小股水流流經水管,而刻度盤上的指針就會比較慢;把水龍頭扭大,水流也可以變得很大,而指針就轉得更快。如果我們的動力源,即水壓能保持穩定,而水龍頭也進行仔細調節的話,我們就有了一個精準的計時器。

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在這樣理想的簡化形式下,我們明確了計時器所必需的四個要素:動力源,傳遞動力的手段,用以記錄動力傳遞的刻度,以及釋放平衡動力的方法。現在讓我們看看這四個要素在機械錶中是如何體現的。

1.儲存動力

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首先我們把手錶像這樣拆解開來,我們先從法條與發條盒開始。法條安置在發條盒中,法條便是手錶的動力源,就像水輪計時中的水塔。上緊法條,我們就注入了動力。而這是控制動力源的單元,就像樓頂的水塔那樣,只有泵入了水,水才能往下流動。

2、釋放與平衡動力

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擺輪組

這是擺輪與遊絲組,包括擺輪,遊絲,擺軸或軸,連在擺軸上的部分叫做滾軸,滾軸上豎立的是寶石銷。我們來看看這些是如何工作的,在寶石銷上施加推力會讓擺輪開始擺動,額外的推力能夠保持其運動。

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擒縱叉與寶石銷的相互作用

我們用這種特殊的錨形杆——擒縱叉來完成推動。擒縱,名字有點奇怪?想想七擒七縱的典故,一收一放的意思。因此當我們來回擺動擒縱叉時,寶石銷被施以一系列的推動以保持其往復搖擺。

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擒縱寶石

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現在在擒縱叉的叉臂上,我們增加一個擒縱寶石,圖中粉紅色物體。右邊那個特殊的齒輪輪叫做擒縱輪,有著如此形狀的輪齒能夠推動擒縱寶石,從而保持擺輪的運動。

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現在我們使用發條中存儲的能量來驅動擒縱輪,上緊的發條驅動著齒輪組,不過這沒法持續多久,而且一旦開始了就不受控制了。

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我們現在需要的是一種可控的動力操縱方式,僅僅在每次需要的時候釋放一點動力。被安置在另一端擒縱叉臂上的擒縱寶石將完成這項使命。當第一個擒縱寶石獲得來自擒縱輪的推力之後,第二個擒縱寶石與擒縱輪上的齒鎖住,以可控的形式保持發條的能量。擺輪繼續擺動推動寶石銷推動擒縱叉使擒縱輪解鎖。

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但是當我們把發條直接連在擒縱輪上時,能量還是很快就耗盡了。如果這是真的表,那麼就只能跑幾秒鐘而已。我們需要的是細水長流,這樣使其至少能跑過一整天。

3、傳遞動力的手段

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在我們的水流時計上,我們使用水管將來自水塔的能量傳遞到水龍頭。我們也需要一種傳遞能量的方式,所以我們增加一系列的齒輪。

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我們把它們排成一列而非手錶中那樣的緊湊,觀察這些齒輪,看看它們如何工作。首先發條匣(Barrel)的一小格運動驅動中心齒輪轉動一整圈。中心齒輪(Center wheel)的一小格運動又驅動下一個齒輪——三輪(Third wheel)轉動一整圈。依此類推,最終發條匣的少許運動能夠驅動擒縱輪轉動許多圈,使其足以持續一天甚至更久。

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擒縱與擺輪機構——嘀嗒聲音的來源

現在我們有了一個完整的手錶模型,發條通過齒輪驅動擒縱輪,擒縱輪輪齒依次推動寶石銷,擒縱叉及寶石銷相互作用保持擺輪運動。擺輪在回程中反推擒縱叉,擒縱叉解鎖再次釋放發條的一點能量。來來回回,循環往復,而小小的捲曲彈簧——遊絲使其保持完美的節奏。擺輪每次擺動都解鎖擒縱輪,使其能再次推動擒縱叉,而這使擺輪組能保持手錶嘀嗒運作,比任何跳動的心臟都更穩定。

4、 記錄動力傳遞的刻度

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現在我們只要數這嘀嗒來度量時間,不過這樣會比較枯燥且不切實際,就像我們的水流時計需要刻度指針。這裡我們也需要記錄能量流動的方法。所以我們在齒輪軸上加上指針來度量時間。當手表的齒輪鏈完成五次擒縱運動,秒針剛好在表格上移動一格。為了為分鐘計時數,我們在這個齒輪上安裝一個指針,秒針每轉60圈,它轉一圈。小時也同理,另一個指針1圈12小時,秒針轉一圈分針轉一格,分針轉一圈,一小時就過去了。

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現在我們能知道時間了,不過延伸成這樣的齒輪組離能用的手錶距離還遠,讓我們的零件來自我組裝一下。現在我們不僅能知道時間,還知道了為什麼能知道。一隻好的手錶——精密緊湊的裝置,包含精細零件,時尚卻有無與倫比的精度,其基本原理卻如我們所看到的,集成於顯微級別的尺寸上,這一切造就了世界上精準輕便的測量裝置。

5、精準度

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寶石軸承

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真正的好表在保持精準方面要下許多功夫,比如寶石。大部分人覺得寶石提升了手表的價值。確實如此,不過並非鑲嵌在錶殼上,寶石在手錶中起著重要作用,只有當它們安置在恰當的地方才能真的提升手錶的價值。作為軸承時,能減少摩擦,增加手錶運作的穩定性,同時極大的提升了手表的壽命。這些微小的寶石表面如此平整也比任何鋼鐵堅硬,甚至能像相機鏡頭一樣投射圖案。再加上不比針尖大的一點潤滑油就能使阻力幾乎消失。

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遊絲

如果非要說手錶的哪個部件更重要,則非遊絲莫屬。每個擺動週期中它吸收並釋放同等能量。好的手錶,遊絲必須從頭至尾分毫不差。經打磨做鏡面處理,由對磁場和溫度變化不敏感的金屬製成,能夠承受相當程度的扭曲並能完全恢復原狀。如我們所見,遊絲經過預先扭曲,以使其均衡擺動,否則遊絲捲曲和釋放過程將不同,偏重一方並影響手錶精度。

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衡準

由於手錶要能在任何角度下工作,為了保證精度,擺輪必須在任何位置上對稱,這叫做衡準(動平衡)。當擺輪放在如刀刃般的邊緣上而不受重力影響滾動時,衡準就完成了。有了完美的衡准以及將遊絲置於擺輪中心,它能在任何時刻任何位置上保持精準。

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所有其他部件也是如此,只比塵土大一點的螺絲,纖細的軸,精細的齒輪,堅固的白銅/鎳黃銅片與框架。所有部件以無比精度製作,近乎完美的精度。

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我們看著這些幾乎小到看不見的部件時,理解到它們所蘊含的神奇技術,我們能夠明瞭其精度與準度的精髓。這是一具真正的神奇裝置,有了它你能夠準確度量時間的流逝,記錄併為己所用。這小小的侍從同時也美輪美奐,彌足珍貴,彰顯榮耀與自信,日復一日,年復一年。

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動圖來源:漢米爾頓Hamilton、天梭Tissot、精工SEIKO


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